基于CDIO教學(xué)模式的機(jī)械基礎(chǔ)組合教具研制

盧孔寶, 陳軍達(dá), 陳越林

(1. 浙江水利水電學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 浙江 杭州 310018；2. 杭州英納福自動(dòng)化工程有限公司, 浙江 杭州 310018)

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基于CDIO教學(xué)模式的機(jī)械基礎(chǔ)組合教具研制

盧孔寶1, 陳軍達(dá)1, 陳越林2

(1. 浙江水利水電學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 浙江 杭州 310018；2. 杭州英納福自動(dòng)化工程有限公司, 浙江 杭州 310018)

為解決“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程枯燥乏味、學(xué)生通過(guò)常規(guī)理論教學(xué)難以掌握相關(guān)知識(shí)這一難題,自主研制了一款機(jī)械基礎(chǔ)組合教具,結(jié)合課程由淺入深地投入到教學(xué)中,從零件的認(rèn)知、單一典型機(jī)構(gòu)的認(rèn)知及應(yīng)用、組合機(jī)構(gòu)創(chuàng)新及應(yīng)用等開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)。該教具通過(guò)試用達(dá)到預(yù)期成效,明顯改善了教學(xué)效果,具有一定推廣價(jià)值。

組合教具； 機(jī)械設(shè)計(jì)； CDIO教學(xué)模式

“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”是高等院校機(jī)械類專業(yè)本專科生的核心專業(yè)課程,通過(guò)向企業(yè)發(fā)放調(diào)查問(wèn)卷、畢業(yè)生回訪、企業(yè)招聘座談等形式獲知，“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程在學(xué)生從基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)過(guò)渡到研究和解決機(jī)械工程技術(shù)問(wèn)題的過(guò)程中起著關(guān)鍵性的橋梁作用[1-2]。浙江水利水電學(xué)院十分重視“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”等核心課程的建設(shè)開(kāi)發(fā),大力提倡自主研制教學(xué)教具。近幾年一直堅(jiān)持以CDIO教學(xué)模式培養(yǎng)機(jī)械類人才,秉承“學(xué)中做,做中學(xué)”的教學(xué)理念,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和團(tuán)隊(duì)合作精神，提升實(shí)踐動(dòng)手能力[3-4]。

1 教具設(shè)計(jì)背景

通過(guò)調(diào)研，顯示學(xué)生學(xué)習(xí)“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程主要有以下特點(diǎn):一是該課程機(jī)構(gòu)多,初學(xué)者很容易混淆相關(guān)概念；二是課程缺少實(shí)質(zhì)性的創(chuàng)新設(shè)計(jì),固有的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)無(wú)法真正掌握所學(xué)知識(shí)；三是教學(xué)中采取的教具形式單一，缺少一個(gè)系統(tǒng)的組合機(jī)構(gòu)。教師授課過(guò)程中發(fā)現(xiàn)常規(guī)的教學(xué)很難調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性。浙江水利水電學(xué)院引入CDIO教學(xué)模式，在教學(xué)過(guò)程中讓學(xué)生參與構(gòu)思(C)、設(shè)計(jì)(D)、實(shí)現(xiàn)(I)、運(yùn)作(O)的教學(xué)訓(xùn)練[5-7],通過(guò)該課程學(xué)習(xí)要求學(xué)生由淺入深地理解、掌握齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、槽輪傳動(dòng)、凸輪傳動(dòng)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、四連桿機(jī)構(gòu)、組合機(jī)構(gòu)等機(jī)械結(jié)構(gòu)的原理及其應(yīng)用場(chǎng)合。

由于目前市面上的機(jī)械設(shè)計(jì)教具部分是單一機(jī)構(gòu)為主,有部分教具只能通過(guò)簡(jiǎn)單的拆裝,無(wú)法融入學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)學(xué)生的拓展訓(xùn)練。鑒于現(xiàn)有市場(chǎng)銷售教具無(wú)法滿足教學(xué)所需,在學(xué)院大力提倡CDIO教學(xué)模式以提升學(xué)生創(chuàng)新和實(shí)踐能力的情況下自主研制了基于CDIO教學(xué)模式的機(jī)械基礎(chǔ)組合教具。該教具研制申報(bào)了2015年浙江省大學(xué)生新苗人才計(jì)劃創(chuàng)新項(xiàng)目并獲批,研制過(guò)程中收集了大量的學(xué)生需要,根據(jù)對(duì)學(xué)生的調(diào)研報(bào)告和教師教學(xué)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行裝置整體方案設(shè)計(jì)。該教具可以用于常規(guī)標(biāo)配性教學(xué)，也可以允許教師或者學(xué)生以自主選題的方式對(duì)該作品進(jìn)行功能擴(kuò)展,使學(xué)生在娛樂(lè)中完成學(xué)習(xí),從娛樂(lè)中掌握知識(shí)和技能。

2 設(shè)計(jì)思路

本教具主要激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械基礎(chǔ)課程的興趣,以游戲?qū)嶒?yàn)的方式開(kāi)展教學(xué)。本教具可以實(shí)現(xiàn)組合拼裝,通過(guò)不同機(jī)構(gòu)的組合、構(gòu)件不同尺寸的設(shè)計(jì)達(dá)到不同的運(yùn)動(dòng)效果,滿足CDIO教學(xué)模式的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作4個(gè)階段的教學(xué)要求。該教具為學(xué)生提供了常規(guī)性實(shí)驗(yàn)和拓展性實(shí)驗(yàn),可以在該教具的基礎(chǔ)上不斷開(kāi)發(fā)升級(jí),充分體現(xiàn)CDIO教學(xué)模式的靈活性和創(chuàng)造性。標(biāo)配性的教具總體示意圖如圖1所示。

圖1 標(biāo)配性教具總體示意圖

2.1 典型常見(jiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)

2.1.1 剪刀剪切運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)

教具以連桿機(jī)構(gòu)理論為支撐,通過(guò)剪刀剪切運(yùn)動(dòng)為案例進(jìn)行搭建,使學(xué)生認(rèn)識(shí)、理解、掌握、拓展連桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用。可利用不同長(zhǎng)度的桿件開(kāi)展多桿機(jī)構(gòu)的教學(xué)。該教具可通過(guò)輪盤的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)剪刀的剪切運(yùn)動(dòng)，如圖2所示。具體運(yùn)動(dòng)實(shí)施如下:曲柄、剪刀片等構(gòu)件由螺釘連接,當(dāng)主動(dòng)件曲柄做圓周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí),剪刀片根據(jù)四連桿機(jī)構(gòu)原理形成交叉剪切運(yùn)動(dòng)[8]。

圖2 四連桿機(jī)構(gòu)示意圖

2.1.2 木偶上下運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)

該教具以凸輪機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖3)理論為支撐,通過(guò)凸輪運(yùn)動(dòng)為案例進(jìn)行搭建,使學(xué)生認(rèn)識(shí)、理解、掌握、拓展凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用。可利用不同凸輪形狀或不同頂桿接觸類型繪制頂桿(木偶)上升的軌跡圖等教學(xué)。主軸上的凸輪通過(guò)軸套固定,將木偶安裝在凸輪從動(dòng)件上,由于凸輪呈盤狀,并且具有變化的向徑,因此在凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),可實(shí)現(xiàn)木偶的上下運(yùn)動(dòng)。

圖3 凸輪機(jī)構(gòu)示意圖

2.1.3 錘子間歇擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)

教具以間歇機(jī)構(gòu)理論為支撐,通過(guò)錘子打擊木偶運(yùn)動(dòng)為案例進(jìn)行搭建,使學(xué)生認(rèn)識(shí)、理解、掌握、拓展間歇機(jī)構(gòu)的應(yīng)用。可利用不同間歇機(jī)構(gòu)類型或連桿長(zhǎng)短觀察是否可實(shí)現(xiàn)錘擊到木偶開(kāi)展教學(xué)[9]。

副軸上的齒輪與主軸上的齒輪嚙合(圖4中看不到),實(shí)現(xiàn)副軸的旋轉(zhuǎn),并帶動(dòng)副軸上的圓盤旋轉(zhuǎn)。輪盤通過(guò)接觸固定在邊側(cè)的錘子連接桿而使錘子上下擺動(dòng)，如圖4所示。

圖4 錘子間歇擺動(dòng)示意圖

2.2 教具融合娛樂(lè)性設(shè)計(jì)

掌握了常見(jiàn)機(jī)構(gòu)的知識(shí)后，可根據(jù)學(xué)生的自主選題或者教師制定的要求開(kāi)展創(chuàng)新性教學(xué),為增加學(xué)生主動(dòng)積極性,設(shè)計(jì)教具時(shí)將娛樂(lè)性融于教學(xué)環(huán)節(jié)中[10],以提升教學(xué)互動(dòng)性等。

2.2.1 木偶在剪刀之間穿梭

該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)需要實(shí)現(xiàn)的功能:剪刀閉合時(shí),木偶下降并遠(yuǎn)離剪刀；當(dāng)剪刀張開(kāi)時(shí),木偶又會(huì)上升并在剪刀剪切范圍內(nèi),在整個(gè)過(guò)程中,木偶都不會(huì)被剪刀剪到,如圖5如示。可以根據(jù)設(shè)定要求通過(guò)不同長(zhǎng)短桿件的組合搭建不同類別的運(yùn)動(dòng)形態(tài)。

圖5 木偶在剪刀之間穿梭

運(yùn)動(dòng)實(shí)施如下:手輪做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn),主軸通過(guò)兩塊支撐板支撐保持水平狀態(tài),主軸前段裝有一個(gè)凸輪,凸輪經(jīng)由聯(lián)軸器與主軸相連,使得主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與凸輪回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)保持一致。凸輪上方有一圓柱棒跟隨凸輪的回轉(zhuǎn)做上下運(yùn)動(dòng)。主軸前段有一錐齒輪,錐齒輪與主軸通過(guò)螺釘相連,兩個(gè)錐齒輪相互嚙合帶動(dòng)圓盤做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),圓盤上固定有四連桿機(jī)構(gòu)的連桿,通過(guò)上述連接。當(dāng)主軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)最終表現(xiàn)出來(lái)的是四連桿機(jī)構(gòu)做剪刀剪切運(yùn)動(dòng),圓柱棒做上下運(yùn)動(dòng)。通過(guò)相關(guān)計(jì)算設(shè)計(jì)使得四連桿機(jī)構(gòu)剪刀剪切過(guò)程中木偶都不會(huì)被剪刀剪到。

2.2.2 錘子間歇捶打木偶

錘子向下擺動(dòng)時(shí),凸輪運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn),木偶下降；錘子向上擺動(dòng)時(shí),凸輪在最高點(diǎn),木偶會(huì)上升。保證錘子的上下擺動(dòng)都不會(huì)砸到木偶,如圖6所示。可以根據(jù)設(shè)定要求通過(guò)間歇機(jī)構(gòu)的間歇周期或不同間歇機(jī)構(gòu)的組合搭建是否錘擊到木偶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖6 錘子間歇捶打木偶示意圖

運(yùn)動(dòng)實(shí)施如下:副軸上的齒輪與主軸上的齒輪嚙合,實(shí)現(xiàn)副軸的旋轉(zhuǎn),并帶動(dòng)副軸上的輪盤旋轉(zhuǎn)。輪盤通過(guò)接觸固定在邊側(cè)的錘子連接桿而使錘子上下擺動(dòng)。運(yùn)動(dòng)實(shí)施如下:回轉(zhuǎn)圓盤作為主動(dòng)件,當(dāng)回轉(zhuǎn)圓盤做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí),圓盤上的鋁塊也將跟隨著轉(zhuǎn)動(dòng),由于錘子自重力的作用錘子將向左側(cè)傾斜,圓盤上的鋁塊將間歇的敲擊錘子,使得錘子也做間歇式上抬運(yùn)動(dòng)。

2.2.3 槽輪的永不停轉(zhuǎn)

該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)需要實(shí)現(xiàn)的功能:主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)使槽輪持續(xù)運(yùn)動(dòng)[11]。 通過(guò)相關(guān)設(shè)計(jì)使得分針、時(shí)針也做持續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),且實(shí)現(xiàn)分針轉(zhuǎn)6轉(zhuǎn)、時(shí)針轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn)，寓意著槽輪永不停轉(zhuǎn)。圖7為槽輪的永不停轉(zhuǎn)示意圖。

圖7 槽輪的永不停轉(zhuǎn)示意圖

實(shí)施如下:主軸帶動(dòng)主動(dòng)槽輪做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),通過(guò)主動(dòng)槽輪的撥針間歇的撥動(dòng)從動(dòng)槽輪,確保主動(dòng)槽輪運(yùn)轉(zhuǎn)6轉(zhuǎn)從動(dòng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn)。主軸與主動(dòng)帶輪通過(guò)銷軸相連,實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)轉(zhuǎn)。主動(dòng)帶輪通過(guò)同步帶實(shí)現(xiàn)從動(dòng)帶輪運(yùn)轉(zhuǎn),且在從動(dòng)輪上固定一分針。使得分針的運(yùn)轉(zhuǎn)與主動(dòng)槽輪運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)一致。在從動(dòng)槽輪上通過(guò)軸連接著時(shí)針,使得時(shí)針的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)與從動(dòng)槽輪運(yùn)轉(zhuǎn)一致。綜合上述描述,通過(guò)一定的數(shù)據(jù)計(jì)算設(shè)計(jì)即可實(shí)現(xiàn)分針轉(zhuǎn)6轉(zhuǎn)、時(shí)針轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn)，寓意著槽輪永不停轉(zhuǎn)。

3 教具創(chuàng)新特點(diǎn)

基于CDIO教學(xué)模式的機(jī)械基礎(chǔ)組合教具主要涉及機(jī)械設(shè)計(jì)、工程力學(xué)等學(xué)科的知識(shí),該裝置可通過(guò)不同結(jié)構(gòu)部件的拼裝從而實(shí)現(xiàn)不同功能的轉(zhuǎn)換；可以通過(guò)不同桿件的長(zhǎng)短實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)行是否合理,且可通過(guò)機(jī)械運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)演示。

教具創(chuàng)新特點(diǎn)如下:

(1) 采用不同構(gòu)建可搭建不同機(jī)構(gòu)且能直觀演示；

(2) 同一機(jī)構(gòu)也可以實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)的設(shè)計(jì)(如剪刀剛剪到棒體、剪刀完全剪到棒體、剪刀剛剪不到棒體、剪刀完全剪不到棒體),以達(dá)到拓展訓(xùn)練效果；

(3) 教具采用純機(jī)械設(shè)計(jì),有利于開(kāi)展桌面教具CDIO教學(xué)模式的實(shí)施；

(4) 框架以透明有機(jī)玻璃搭建,便于觀察內(nèi)部機(jī)械運(yùn)動(dòng)；

(5) 將多種機(jī)構(gòu)集成在一個(gè)教具上,減少教具成本,提供機(jī)構(gòu)對(duì)比；

(6) 教具部件采用標(biāo)準(zhǔn)模塊組成,為后期的擴(kuò)展提供基礎(chǔ)。

4 實(shí)施效果

基于CDIO教學(xué)模式的機(jī)械基礎(chǔ)組合教具的研制建立在我校CDIO教學(xué)教改的基礎(chǔ)上,在我校大學(xué)生創(chuàng)新社團(tuán)、指導(dǎo)教師、學(xué)生團(tuán)隊(duì)共同努力下研制而成,該教具獲得浙江省第十一屆大學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)競(jìng)賽(本科組)二等獎(jiǎng),并獲得浙江省大學(xué)生新苗人才培養(yǎng)計(jì)劃創(chuàng)新推廣項(xiàng)目立項(xiàng)等。教具實(shí)物如圖8所示。

圖8 教具實(shí)物

該教具在我校的15級(jí)“數(shù)控加工技術(shù)”機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)CDIO課程進(jìn)行了試用,數(shù)控15一班級(jí)采用傳統(tǒng)教具+理論教學(xué)模式,以傳統(tǒng)的認(rèn)知、教具實(shí)驗(yàn)等開(kāi)展教學(xué)；數(shù)控15二班級(jí)采用基于CDIO教學(xué)模式的機(jī)械

基礎(chǔ)組合教具+理論教學(xué)模式,以3～5人為一個(gè)團(tuán)隊(duì)從認(rèn)識(shí)零件、搭建單一機(jī)構(gòu)、構(gòu)建組合機(jī)構(gòu)、拓展訓(xùn)練漸進(jìn)式開(kāi)展教學(xué)[12-13]。學(xué)期結(jié)束后對(duì)兩個(gè)班級(jí)的成績(jī)、學(xué)生應(yīng)用機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)能力、學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性、授課反饋等數(shù)據(jù)進(jìn)行了收集和對(duì)比。事實(shí)證明學(xué)生對(duì)該教具的接受程度很高,提高了學(xué)習(xí)主動(dòng)性,拓展了學(xué)生利用機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)應(yīng)用能力,授課教師對(duì)該教具的認(rèn)可度高,提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的氛圍,提高了學(xué)生專業(yè)綜合素質(zhì)。

5 結(jié)語(yǔ)

基于CDIO教學(xué)模式的機(jī)械基礎(chǔ)組合教具目前申請(qǐng)并獲批了3項(xiàng)專利:第1項(xiàng)為組合式機(jī)械結(jié)構(gòu)教具,第2項(xiàng)為機(jī)械教具集成傳動(dòng)結(jié)構(gòu)；第3項(xiàng)為持續(xù)剪切計(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)。研制過(guò)程不僅鍛煉了教師和學(xué)生的創(chuàng)新能力，而且提升了教師和學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。下階段將尋求企業(yè)對(duì)該教具進(jìn)行包裝和推廣。本教具除在本校試用得到良好評(píng)價(jià)外,還在杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院等院校進(jìn)行了試用,反饋信息表明使用效果較好,并有采購(gòu)該教具的意向,同時(shí)該教具得到杭州英納福自動(dòng)化工程有限公司的認(rèn)可,具有一定市場(chǎng)前景。

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Development of mechanical foundation combined teaching aid based on CDIO teaching mode

Lu Kongbao1,Chen Junda1,Chen Yuelin2

(1. School of Mechanical and Automotive Engineering, Zhejiang University of Water Resources and Electric Power,Hangzhou 310018, China；2. Hangzhou Ying Hannaford Automation Engineering Co. Ltd., Hangzhou 310018, China)

In order to solve the Mechanical Design Foundation course boring, and that students can not grasp the relevant knowledge and the application of knowledge through the conventional theory teaching, this article independently researches a mechanical basis combined teaching aid, according to the course by shallow into deep teaching, so that the students can carry out the activities from parts of cognition, single typical mechanism of cognition and application of combined mechanisms, innovation and application of teaching. The teaching aid through the trial can achieve the desired results, and improve the teaching effect, which has a certain popularization value.

combined teaching aid; mechanical design; CDIO teaching mode

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.027

2016-05-30

浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃暨新苗人才計(jì)劃大學(xué)生科技成果推廣項(xiàng)目(2015R434015)；浙江省高校實(shí)驗(yàn)室工作研究重點(diǎn)項(xiàng)目( ZD201408)

盧孔寶(1982—)，男，浙江湖州，在讀碩士研究生，實(shí)驗(yàn)師，實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中心主任，主要從事數(shù)控加工技術(shù)研究、機(jī)電產(chǎn)品研制與改造.

E-mail：hzlukb029@163.com

TH132；G484

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1002-4956(2016)11-0108-04